Rui Miguel Pires Magalhães
Desenvolvimento de Materiais Auxéticos
para Aplicações Estruturais
Rui Miguel Pires Magalhães
Desen vol vimento de Mater iais A ux éticos par a Aplicações Es tr utur ais
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Raúl Fangueiro
Professor Doutor Daniel Oliveira
Rui Miguel Pires Magalhães
Desenvolvimento de Materiais Auxéticos
para Aplicações Estruturais
AGRADECIMENTOS
Eu gostaria de expressar a minha sincera gratidão a todos aqueles que contribuíram de alguma maneira para o sucesso desta dissertação.Esta dissertação foi desenvolvida em conjunto em dois departamentos, Departamento de Engenharia Têxtil (DET) e o Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil sediados na Escola de Engenharia da Universidade do Minho sendo que os técnicos respetivos tiveram um papel fulcral no desenvolvimento desta Dissertação pelo que agradeço a todos pelo apoio e contribuição.
Agradeço também ao Professor Doutor Raúl Fangueiro e ao Professor Doutor Daniel Oliveira pela orientação, apoio, conselho, revisão crítica e pela disponibilidade que mostraram durante a realização deste trabalho de investigação.
Ao P. Subramani, uma vez que, sem ele esta dissertação não seria possível, pelo que me ajudou nas temáticas relacionadas com os materiais compósitos, o meu maior obrigado pela ajuda, disponibilidade, compreensão e alertas durante o período de realização deste trabalho.
Um especial obrigado a todos os intervenientes no grupo de trabalho do “Fibrenamics” que tornaram a minha inserção neste projeto mais facilitada estando sempre prontamente disponíveis para me auxiliar.
Agradeço à minha família, aos meus país, que me deram sempre força e motivação para continuar com o trabalho, à minha irmã, por ser a minha melhor amiga e, em especial, ao meu avô.
RESUMO
Cada vez mais, existem eventos naturais ou artificiais (como sismos, explosões) que colocam em risco os elementos estruturais e não estruturais dos edifícios.Tendo em vista a resolução deste tipo de problema, na presente dissertação, é analisada uma característica que alguns materiais apresentam na sua forma natural (materiais auxéticos) que poderá ajudar a minimizar esses efeitos. Com esta característica é possível que um material obtenha um coeficiente de Poisson negativo, o que reflete que este irá aumentar de dimensão transversal e longitudinal quando sujeito a uma força de tração.
Assim, o objetivo principal deste trabalho de dissertação foi o desenvolvimento de estruturas auxéticas em material compósito em que numa primeira fase, foi otimizado o material compósito variando o tipo e percentagem de fibra utilizada no núcleo de reforço, e de seguida otimizada a própria estrutura auxética.
As estruturas foram realizadas com recurso a varões compósitos entrançados produzidos e ensaiados relativamente às suas propriedades físicas e mecânicas, seguindo a metodologia adotada por outros autores.
Os resultados obtidos demonstram efetivamente que as estruturas produzidas refletem um comportamento auxético assim como um bom comportamento mecânico, sendo também realizada uma comparação com o resultado obtidos por outros autores que desenvolveram materiais (BCR) semelhantes.
Palavras-chave: Materiais fibrosos, Materiais compósitos, Varões compósitos Têxteis (BCR). Materiais auxéticos.
ABSTRACT
There are more and more natural and artificial events (like earthquakes and explosions) that threaten the structural components of the built heritage.In order to try to solve this kind of problems, this dissertation, studies feature presented by some materials in their natural arrangement (auxetics materials), that could help to minimize those effects. With this characteristic, it is possible that one material acquires a negative Poisson ratio, which means it will have a transversal and longitudinal expansion, when exposed to a traction force.
The main objective of this dissertation is the development of auxetic structures in composite materials. In a first phase the composite material was optimized, varying the type and percentage of the fibre; secondly, the auxetic structure was optimized.
The structures were made using braided composit rods which were produced and tested concerning their physical and mechanical properties, following a methodology adopted also by other authors.
The results show that the produced structures reflect an auxetic behaviour as well as a good mechanical behaviour. A comparison with the results achieved by other authors with identical BCR is also made.
Keywords: Fiber materials, Composite materials, Braided composite materials, Auxetic materials.
ÍNDICE GERAL
Declaração ... ii Agradecimentos ... iii Resumo ... v Abstract ... vii Índice Geral ... ixÍndice de Figuras ... xii
Índice de Quadros ... xv CAPÍTULO I ... 1 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. Enquadramento do trabalho ... 1 1.2. Justificação do trabalho ... 2 1.3. Objetivos da dissertação ... 4 1.4. Metodologia ... 4 1.5. Estrutura da Dissertação ... 5 CAPÍTULO II ... 9 2. ESTADO DA ARTE ... 9 2.1. Material Compósito ... 9 2.1.1. Introdução ... 9 2.1.2. Caracterização geral ... 10
2.1.3. Matrizes dos materiais compósitos ... 14
2.1.4. Reforço dos materiais compósitos ... 17
2.1.5. Comparação das propriedades das fibras e das matrizes ... 25
2.1.7. Estruturas têxteis ... 28
2.2. Comportamento Auxético ... 32
2.2.1. Introdução ... 32
2.2.2. Caracterização geral ... 33
2.2.3. Mecanismos e estruturas auxéticas ... 36
2.2.4. Aplicações ... 41
CAPÍTULO III ... 43
3. DESENVOLVIMENTO DE VARÕES EM MATERIAL COMPÓSITO ... 43
3.1. Introdução ... 43
3.2. Composição do material ... 43
3.3. Equipamento utilizado ... 46
3.4. Produção do compósito ... 49
3.5. Determinação das características geométricas e dimensionais ... 51
3.6. Determinação das propriedades mecânicas ... 53
3.6.1. Procedimento de ensaio ... 54 3.7. Análise de resultados ... 54 3.7.1. BCR a 0º ... 61 3.7.2. BCR a 66º ... 65 3.8. Conclusão ... 68 CAPITULO IV ... 69 4. ESTRUTURAS AUXÉTICAS ... 69 4.1. Introdução ... 69 4.2. Composição da estrutura ... 70 4.3. Equipamento utilizado ... 70
4.4. Produção das estruturas auxéticas ... 71
4.6.1. Comportamento auxético das estruturas ... 75
4.6.2. Comportamento mecânico das estruturas auxéticas. ... 79
4.7. Conclusão ... 84
CAPÍTULO V ... 85
5. OPTIMIZAÇÃO DAS ESTRUTURAS AUXÉTICAS ... 85
5.1. Introdução ... 85
5.2. Composição do material ... 86
5.3. Produção de estruturas auxéticas ... 86
5.4. Caracterização mecânica das estruturas auxéticas... 88
5.5. Discussão de resultados ... 88
5.5.1. Comportamento auxético das estruturas modificadas ... 88
5.6.2. Comportamento mecânico das estruturas auxéticas modificadas... 91
5.6 Conclusão ... 96
CAPITULO VI ... 97
6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 97
6.1. Conclusão ... 97
6.2. Trabalhos futuros. ... 98
Bibliografia ... 101
Anexos ... 107
A1 – Informação sobre os resultados médios obtidos apresentados no Capítulo 3. .. 107
A2 – Informação sobre os resultados médios obtidos apresentados no Capítulo 4. .. 118
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 2.Figura 2. 1 Classificação dos Materiais Compósitos (adaptado de (Sousa, 2004)) ... 11 Figura 2. 2 - Diagrama Extensão (%)/Tensão (MPa) das fibras, matriz e polímero reforçado por fibras (Bisby, Ranger, & Williams, 2006) ... 12 Figura 2. 3 - Orientação unidirecional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996) ... 13 Figura 2. 4 - Orientação bidimensional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996) ... 13 Figura 2. 5 - Orientação tridimensional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996) ... 14 Figura 2. 6 - Classificação quanto à origem das fibras (adaptado de (Latzke, et al., 2006) (Oliveira, 2013) (Fangueiro, 2011)) ... 18 Figura 2. 7 - Esquema simplificado da linha de produção das Fibras de Basalto (Deák & Czigány, 2009) ... 20 Figura 2. 8 - Comparação à tração entre Fibras e Metais (440, 2002) ... 26 Figura 2. 9 - a) Pontos de contacto entre duas superfícies sólidas; b) Zona de contacto entre uma superfície liquida e sólida com angulo de contacto Ɵ (Hull & Clyne, 1996) ... 27 Figura 2. 10 - Estruturas têxteis planares (2D); a) Não tecida; b) Tecida; c) Entrançada; d) Malha-trama; e) Malha (adaptado de (Fangueiro, 2011)) ... 29 Figura 2. 11 - Estruturas convencionais entrançadas; a) Diamante; b) Regular; c) Hercules (adaptado de (Fangueiro, 2011)) ... 30 Figura 2. 12 - Mecanismo de deformação de um material auxético ... 36 Figura 2. 13 - Exemplo de uma estrutura favo de mel reentrante (Steffens & Fangueiro, 2012) ... 37 Figura 2. 14 - Estruturas reentrantes; a) Estrutura de seta de ponta dupla; b) favo de mel estrelar; c) favo de mel hexagonal estruturalmente reentrante; d) rede de losangos; e) grades quadradas; f) liga-ligamentos sinusoidais (adaptado de (Steffens & Fangueiro, 2012) (Liu & Hu, 2010)) ... 38 Figura 2. 15 - Células tridimensionais; a) Célula tradicional; b) Célula reentrante
Figura 2. 16 - Estruturas quirais (adaptado de (Steffens & Fangueiro, 2012)) ... 39
Figura 2. 17 - Estrutura de Unidades de Rotação (Steffens & Fangueiro, 2012) ... 40
Figura 2. 18 - Compósitos auxéticos; a) estrutura; b) esquema (adaptado de (Hull & Clyne, 1996)) ... 40
Capítulo 3. Figura 3. 1 - Entrançadeira vertical ... 47
Figura 3. 2 - Bobinadeira de enrolamento paralelo ... 47
Figura 3. 3 - Representação esquemática do BCR ... 48
Figura 3. 4 - Combinação de roldana utilizadas na entrançadeira vertical para se produzir os entrançados ... 48
Figura 3. 5 - Parâmetros a caracterizar nos BCR produzidos (Cunha, 2012)... 49
Figura 3. 6 - BCR produzidos a 0º ... 50
Figura 3. 7 - BCR produzido a 66º ... 50
Figura 3. 8 - BCR final utilizado no ensaio de tração direta uniaxialErro! Marcador não definido. Figura 3. 9 - Representação gráfica da integração numérica ... 56
Figura 3. 10 - Gráficos do ensaio de tração direta para as fibras; a) fibras de basalto; b) fibras de carbono, c) fibras de vidro; d) fibras de poliéster. ... 57
Figura 3. 11 – Gráficos do ensaio de tração direta aos entrançados produzidos; a) E_Basalto_4800; b) E_Carbono_4800; c) E_Vidro_4800; d) E_Vidro_6000 ... 61
Figura 3. 12 – Gráficos dos ensaios de tração direta aos entrançados produzidos; a)E_Híbrido_CB_6400; b) E_Híbrido_CV_6400 ... 62
Figura 3. 13 - Gráficos dos ensaios de tração direta aos BCR a 66º; a) E_Basalto_4800; b) E_Carbono_4800; c) E_Vidro_4800 ... 65
Figura 3. 14 - Fases de produção da estrutura auxética ... 72
Capítulo 4. Figura 4. 1 - Máquina de tração direta... 71
Figura 4. 2 - Fases de produção da estrutura auxética ... 71
Figura 4. 3 – a) Parâmetros da estrutura auxética produzida; b) Exemplo de uma estrutura S1 realizada; c) Pormenor dos pontos de interseção ... 72
Figura 4. 5 - Imagem obtida através do ensaio de tração direta ... 74 Figura 4. 6 - Diferentes fases do ensaio de tração direta da estrutura auxética S1 ... 76 Figura 4. 7 – Gráficos com os valores obtidos para o coeficiente de Poisson para a estrutura S1 constituída por diferentes materiais ... 77 Figura 4. 8 – Gráficos com os valores do Coeficiente de Poisson obtido para a estrutura S2 e S3 ... 78 Figura 4. 9 - Imagem obtida através do ensaio de tração direta; a) fase 1; b) fase 2; c) fase 3 ... 80 Figura 4. 10 - Gráficos obtidos através do ensaio de tração direta às estruturas S1 ... 81 Figura 4. 11 - Gráficos obtidos através do ensaio de tração direta às estruturas S2 e S3 ... 82
Capítulo 5.
Figura 5. 1 – a) Parâmetros da estrutura auxética produzida; b) Exemplo de uma estrutura S4 realizada; c) Pormenor dos pontos de interseção ... 87 Figura 5. 2 - Representação esquemática das estruturas auxéticas modificadas produzidas ... 88 Figura 5. 3 – Gráfico com os valores obtidos do coeficiente de Poisson para as estruturas S4 ... 89 Figura 5. 4 - Gráfico com os valores obtidos do coeficiente de Poisson para as estruturas S5 ... 90 Figura 5. 5 - Imagens obtidas através do ensaio de tração direta para estrutur S4; Fase 1; Fase 2; Fase 3 ... 92
ÍNDICE DE QUADROS
Capítulo 2.Quadro 2. 1 - Propriedades das resinas termoendurecíveis (adaptado de (Task Group
9.3, 2007)) ... 16
Quadro 2. 2 - Propriedades das resinas termoplásticas (adaptado de (Task Group 9.3, 2007)) ... 17
Quadro 2. 3 - Composição química da fibra de basalto (adaptado de (Militky, Kovacic, & Rubnerová, 2002) (Deák & Czigány, 2009)) ... 19
Quadro 2. 4 – Características mecânicas da fibra de basalto (adaptado de (Fiore, Di Bella, & Valenza, Glass-Basal/epoxy hybrid composites for marine application, 2011)) ... 21
Quadro 2. 5 - Propriedades das fibras de carbono (adaptado de (Chand, 2000) (Pereira)) ... 22
Quadro 2. 6 - Propriedades das fibras de carbono PAN (adaptado de (Fangueiro, 2011)) ... 23
Quadro 2. 7 - Comparação das fibras de vidro (adaptado de (Hull & Clyne, 1996)) ... 24
Quadro 2. 8 - Propriedades mecânicas das fibras de vidro (adaptado de (Fangueiro, 2011) (Hull & Clyne, 1996)) ... 25
Quadro 2. 9 - Valores típicos do coeficiente de Poisson (adaptado de (Cossolino & Pereira, 2010)) ... 33
Capítulo 3. Quadro 3. 1 - Características dos entrançados produzidos ... 45
Quadro 3. 2 - Caracterização geométrica dos BCR produzidos ... 51
Quadro 3. 3 - Propriedades mássicas dos materiais produzidos ... 53
Quadro 3. 4 - Valores médios obtidos para as fibras ensaiadas ... 60
Quadro 3. 5 - Módulo de Elasticidades médios obtidos ... 60
Quadro 3. 6 - Valores médios obtidos dos BCR a 0º ... 62
Quadro 3. 7 - Valores médios do Módulo de Elasticidade dos BCR a 0º ... 63
Quadro 3. 8 - Valores médios obtidos dos BCR a 66º ... 66
Capítulo 4.
Quadro 4. 1 - Composição do material segundo a designação atribuída ... 70
Quadro 4. 2 - Parâmetros das estruturas auxéticas ... 73
Quadro 4. 3 - Valores médios da Força máxima e Absorção de energia para diferentes BCR e diferentes estruturas ... 83
Capítulo 5. Quadro 5. 1 - Designação das estruturas segundo o material utilizado ... 86
Quadro 5. 2 - Parâmetros das estruturas auxéticas S4 e S5 produzidas ... 87
Quadro 5. 3 - Valores médios da Força máxima e Absorção de energia para diferentes BCR e diferentes estruturas ... 94
Anexos Quadro A1. 1 – Tensão máxima das fibras ensaiadas ... 107
Quadro A1. 2 - Força máxima das fibras ensaiadas ... 108
Quadro A1. 3 – Tenacidade das fibras ensaiadas... 108
Quadro A1. 4 – Deslocamento para a força máxima aplicada as fibras ensaiadas ... 109
Quadro A1. 5 - Módulo de elasticidade entre 50-20 (%) da força máxima aplicada às fibras ensaiadas ... 109
Quadro A1. 6 - Módulo de elasticidade entre 20-10 (%) da força máxima aplicada às fibras ensaiadas ... 110
Quadro A1. 7 - Absorção de energia por parte das fibras ensaiadas ... 110
Quadro A1. 8 - Tensão máxima aplicada ao BCR 0º ... 111
Quadro A1. 9 - Tensão máxima aplicada ao BCR 0º ... 111
Quadro A1. 10 - Força máxima aplicada ao BCR 0º ... 112
Quadro A1. 11 - Força máxima aplicada ao BCR 0º ... 112
Quadro A1. 12 - Deslocamento para a força máxima aplicada ao BCR a 0º ... 113
Quadro A1. 13 - Deslocamento para a força máxima aplicada ao BCR a 0º ... 113
Quadro A1. 14 - Módulo de elasticidade entre 20-10 (%) da força máxima aplicada aos BCR a 0º ... 114 Quadro A1. 15 - Módulo de elasticidade entre 20-10 (%) da força máxima aplicada aos
Quadro A1. 16 - Absorção de energia dos BCR a 0º ... 115
Quadro A1. 17 - Absorção de energia dos BCR a 0º ... 115
Quadro A1. 18 – Tensão máxima aplicada aos BCR a 66º ... 116
Quadro A1. 19 - Força máxima aplicada aos BCR a 66º ... 116
Quadro A1. 20 – Deslocamento para a força máxima dos BCR a 66º ... 117
Quadro A1. 21 – Módulo de Elasticidade 50-20(%) da força máxima dos BCR a 66º ... 117
Quadro A1. 22 – Absorção de energia dos BCR a 66º ... 118
Quadro A2. 1 – Força máxima aplicada às estruturas S1 constituídas por diferentes BCR ... 118
Quadro A2. 2 – Força máxima aplicada às estruturas S1, S2 e S3 constituídas por diferentes BCR ... 119
Quadro A2. 3 – Absorção de energia das estruturas S1 constituídas por diferentes BCR ... 119
Quadro A2. 4 – Absorção de energia das estruturas S1, S2 e S3 constituídas por diferentes BCR ... 120
Quadro A3. 1 – Força máxima aplicada às estruturas S4 ... 120
Quadro A3. 2 – Força máxima aplicada às estruturas S4 e S5 ... 121
Quadro A3. 3 – Absorção de energia pelas estruturas S4 ... 121
CAPÍTULO I
1. INTRODUÇÃO
1.1. Enquadramento do trabalho
Hoje em dia e, cada vez mais, existe uma necessidade de se criarem novos materiais ou até de se otimizar as características que os existentes apresentam, tendo em vista a resolução de um problema.
Uma maneira de se conseguir alcançar estes objetivos é com recurso à biomimética. A biomimética tem por objetivo o estudo das estruturas biológicas e das suas funções, procurando aprender com a Natureza, e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência.
A perceção de que algumas estruturas e materiais biológicos apresentam, comportamento auxético fez despertar o interesse pela realização do presente trabalho. Esta característica não tem tido a atenção que deveria, podendo ser encontrado na natureza em materiais como a cortiça (Fortes, Nogueri; 1989), em algumas rochas e minerais, assim como em peles de animais (Less, Vincent, Hillerton; 1991).
A maioria dos materiais diminuem a sua secção quando tracionados, o que se traduz num coeficiente de Poisson positivo, geralmente entre 0 e 0,5, contrariamente ao que acontece nos materiais denominados com propriedades auxéticas. Estas características devem-se ao facto de o material aumentar as dimensões transversal e longitudinal quando é tracionado, demonstrando assim um coeficiente de Poisson negativo.
Hoje em dia, cada vez mais se fala de situações que têm por base explosões, sendo que estas conduzem a graves consequências, não só materiais, como também de perdas de vidas humanas. Os ataques terroristas têm-se acentuado em todo o mundo provocando a destruição de inúmeros monumentos, assim como edifícios com grande importância
económica e patrimonial, havendo uma necessidade permanente de criação de medidas de proteção contra este tipo de eventos.
No panorama nacional, este fenómeno é igualmente abordado, englobando explosões que acontecem devido a causas das mais diversas ordens, que provocam inúmeras perdas materiais e humanas.
Pretende-se, no âmbito deste trabalho, contribuir para a implementação de soluções mais eficientes, com vista à minimização dos efeitos provocados por explosões, reforçando elementos não estruturais em edifícios, como é o exemplo de paredes de alvenaria, com recurso a materiais com propriedades auxéticas
Polímeros reforçados com fibras (FRP “Fiber-reinforced plastics”) são materiais compósitos compostos por uma resina polimérica na sua matriz e por fibras de reforço como carbono, vidro, etc. Devido ao seu baixo peso, alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e flexibilidade, este tipo de materiais têm sido amplamente utilizados na indústria automóvel, aeroespacial, construção civil, construção naval e indústria material (Buchan & Chen, 2010).
A alta resistência em relação ao peso obtido por estes materiais FRP torna-os bons candidatos para aplicações que requerem proteção contra explosões, como veículos militares, edifícios e estruturas, e armaduras corporais (McConnell, 2006) (Thermoplastic Composite Armour, 2008) (Buchan & Chen, 2007).
1.2. Justificação do trabalho
Hoje em dia existe um grande número de soluções para minimizar os danos nas estruturas provocados por um explosivo, sendo o principal objetivo salvar vidas humanas. A escolha destas soluções regem-se por dois princípios gerais:
- O primeiro princípio passa por minimizar os danos dos elementos estruturais reduzindo o risco de colapso progressivo da estrutura, assim como o fenómeno da fragmentação que poderá advir da carga explosiva e/ou da destruição dos elementos estruturais (Myers, Belarbi, & El-Domiaty, 2004).
- O segundo princípio consiste em facilitar o resgate de vidas humanas de um edifício que foi alvo de uma explosão de modo a facilitar as buscas, reduzindo os escombros,
sujeitas. Em alguns casos pode considerar-se a minimização das interrupções à circulação de pessoas, assim como das atividades no edifício aquando da sua manutenção, como um objetivo secundário (Hinman, 2011).
Definir soluções para combater este problema é um processo muito complexo e que poderá englobar muitas incógnitas.
Uma delas é o facto de ser necessário obedecer a um conjunto de regras arquitetónicas na conceção do projeto de arquitetura, assim como normas legais como requisitos do comportamento térmico e acústico dos edifícios que terão de ser respeitados, requisitos de proteção contra incêndio e requisitos contra sismos.
Deve também ter-se em conta os custos iniciais e de manutenção de cada solução tentando encontrar-se a solução o mais eficiente possível por um custo menor, pois este aspeto poderá ser preponderante.
Nos dias de hoje deve também ter-se outro aspeto em consideração na adoção de soluções que melhorem o comportamento do edifício contra explosões que é a adoção de materiais que contenham um menor impacto ambiental associado, contribuindo para melhorar a sustentabilidade do edifício.
Por outro lado, este tipo de opção deve ter em conta a probabilidade reduzida de acontecimentos deste tipo de situações, de modo a que as soluções adotadas não perturbem o funcionamento diário do edifício proporcionando um ambiente eficiente e convidativo (Hinman, 2011).
As alvenarias são consideradas um material muito frágil que pode originar muitos detritos que são muito perigosos numa explosão devido à sua baixa capacidade de sofrer flexão, existindo algumas técnicas para reforçar este tipo de estrutura contra este problema.
Analisando o comportamento das alvenarias sujeitas a cargas explosivas, a rotura das mesmas poderá ocorrer resumidamente por três tipos de modos de rotura: rotura por tração nas zonas de flexão elevada, rotura por compressão nas zonas de flexão elevada e falha por corte nas estruturas de suporte (Buchan & Chen, 2010).
Outro problema que atualmente se tem registado é o caso dos eventos sísmicos. Este tipo de problema é reconhecido como um dos principais riscos naturais, tendo a capacidade de causar estragos em grande escala num curto intervalo de tempo.
Conjugando estes problemas com as características auxéticas poderá aqui se encontrar uma solução viável para reforço das alvenarias.
Alguns estudos têm sido levado a cabo utilizando materiais compósitos para reforço destes elementos, nomeadamente na Universidade do Minho, onde com recurso a (BCR “Braided composite rods”), se construíram estruturas para incorporar em elementos de alvenaria.
Com o presente trabalho será realizada uma conjugação entre um material compósito e o comportamento que este adotará tentando obter um comportamento auxético das estruturas realizadas, aspeto que até então não foi estudado, existindo apenas estudos efetuados sobre o comportamento dos materiais compósitos.
1.3. Objetivos da dissertação
Esta dissertação tem como objetivo principal o desenvolvimento de estruturas auxéticas, em material compósito para serem aplicadas em argamassa por técnicas do tipo (TRM “Textil Reinforced Mortar”), tendo em vista o reforço de alvenarias ou outros elementos construtivos.
No que diz respeito às estruturas auxéticas, a serem desenvolvidas, estas serão alvo de uma otimização de modo a obter uma resposta mais eficiente para o efeito pretendido. Tendo em vista um melhor comportamento destas estruturas serão realizados diferentes tipos de materiais compósitos adotando diferentes tipos de fibras assim como a sua percentagem no material compósito.
1.4. Metodologia
Depois de identificar o problema para qual esta dissertação se enquadra foi definida a metodologia que estará na base desta dissertação.
A metodologia adotada para a realização deste trabalho passa por duas fases principais. Numa primeira fase será realizada uma revisão do estado da arte que será levada a cabo estudando o conhecimento já adquirido por outros autores acerca deste tipo de material (material compósito), assim como sobre este comportamento auxético.
Relativamente ao estudo do material compósito aqui será realizado um estudo mais pormenorizado acerca dos materiais que serão alvo de estudo no desenvolvimento do trabalho experimental.
No que diz respeito ao comportamento auxético, realiza-se uma pesquisa bibliografia mais elaborada devido ao facto de este assunto ser novo, no meu ponto de vista.
Numa segunda fase irá decorrer o trabalho experimental que vai consistir em três etapas. Numa primeira etapa será desenvolvido o material compósito e estudadas as suas características mecânicas, variando o tipo de fibra, assim como a percentagem desta no compósito. Depois de se obter o material será também realizado uma caracterização física e mecânica do mesmo.
As fibras utilizadas nesta primeira etapa serão fibras de basalto, fibras de carbono e fibras de vidro com diferentes massas lineares (relação entre a massa e o comprimento). Por outro lado, a segunda etapa consiste na execução das estruturas, adotando dois tipos de estruturas auxéticas, uma tradicional e uma otimizada, ambas com variações em alguns parâmetros, onde consequentemente serão realizados ensaios de tração para verificar as características não só mecânicas, como também se efetivamente estas estruturas adotam um comportamento auxético.
Por fim, depois da análise do comportamento das estruturas auxéticas, serão elaboradas lajetas em argamassa com as estruturas inseridas para verificar o comportamento das mesmas quando conjugadas com uma matriz cimentícia sendo o estudo elaborado por outros autores.
Numa fase final será obtida uma conclusão sobre o estudo das estruturas auxéticas em material compósito considerando o objetivo proposto inicialmente, assim como a experiência adquirida durante a realização desta dissertação que poderá ser importante para investigações futuras nesta área de investigação.
1.5. Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está dividida em 5 capítulos principais incluindo: Capítulo 1 – Introdução.
A introdução consiste no primeiro capítulo da dissertação onde, de uma forma sumária, se apresentam os objetivos, a metodologia selecionada, assim como a justificação que leva à realização do trabalho.
Capítulo 2 – Revisão do estado da arte.
O segundo capítulo destina-se a retratar a pesquisa bibliográfica sobre as temáticas envolvidas nesta dissertação para que seja percetível entender os problemas e, as soluções, assim como o trabalho desenvolvido por outros autores de modo a otimizar o trabalho que será desenvolvido laboratorialmente. As temáticas englobadas são agrupadas em dois grupos.
Num primeiro grupo é realizada uma revisão da literatura acerca dos materiais compósitos, efetuando-se uma análise ao seu comportamento, assim como às suas potencialidades, vantagens/desvantagens e, ainda, processos de produção, comparação entre estes, etc.
Num segundo grupo apresenta-se a temática do comportamento auxético, realizando-se uma explicação do comportamento auxético, a sua proveniência, as possíveis vantagens/desvantagens, os processos de fabrico para obter este comportamento tendo em vista a sua aplicação nos materiais compósitos.
Capítulo 3 – Material compósito entrançado para reforço.
O capítulo 3 refere-se a trabalho realizado laboratorialmente mostrando-se o processo desenvolvido para a realização do material compósito entrançado (BCR “Braided Composites Rods”), assim como a avaliação das suas propriedades mecânicas.
É ainda apresentada uma pormenorização do material compósito entrançado, com uma descrição de todo o procedimento de produção, visto que são produzidos diferentes tipos de materiais compósitos entrançados, variando o tipo de fibra utilizada, assim como a sua percentagem, de modo a otimizar o material compósito para o fim a que este é destinado.
Capítulo 4 – Estruturas em material compósito entrançado.
O capítulo 4 mostra o processo de fabrico e os resultados obtidos para as estruturas no que se refere ao seu comportamento auxético, assim como o comportamento mecânico esperado para aplicação deste material na argamassa de reboco.
Capítulo 5 – Otimização das Estruturas Auxéticas.
Depois de analisadas as estruturas auxéticas elaboradas anteriormente, no capítulo 4, será importante redesenhar a estrutura convencional e adaptar a mesma de características tendo em vista a causa final em que se enquadrará.
Aqui serão caracterizadas estas novas estruturas, comportamento mecânico e coeficiente de Poisson, assim como será realizada uma comparação com as estruturas convencionais.
Capítulo 6 – Conclusão e futuros trabalhos.
Por fim, no capítulo 6 é apresentada uma conclusão geral do trabalho desenvolvido, assim como o trabalho que poderá ser realizado para complementar este estudo, tendo em vista uma otimização do material compósito assim como das estruturas auxéticas.
CAPÍTULO II
2. ESTADO DA ARTE
2.1. Material Compósito
2.1.1. Introdução
Segundo a Engenharia dos Materiais os materiais podem ser classificados em diferentes tipos, sendo esta classificação baseada na composição de cada material.
Estes poderão ser agrupados em diferentes grupos como: (Horrocks & Anand, 2000) (Sousa, 2004) (Marques, 2009)
Metálicos: com uma composição de elementos metálicos como por exemplo, o Ferro (Fe), Ouro (Au), Aço (liga Fe-C), Latão (liga Cu, Zn);
Cerâmicos: com uma combinação de elementos metálicos e não metálicos (óxidos, carbonetos e nitretos), sendo estes divididos em cerâmicos tradicionais, cerâmicos de alto desempenho, vidros e vitro-cerâmicos e cimentos como vidros, argilas e cimentos; Polímeros: sendo estes compostos orgânicos como polietileno e neoprene;
Compósitos: betão, madeira;
Semicondutores: silício (SI), Arseneto de Galiunm (GaAs), InGaAsP.
Os materiais compósitos foram utilizados pela primeira vez na indústria da agricultura mas com maior expansão, de um ponto de vista industrial e de produção em grande massa, durante a segunda metade do século XX (Marques, 2009).
Um exemplo deste material é o músculo de um ser humano. O músculo tem presente um conjunto de camadas de fibras orientadas de diferentes maneiras e de diferentes concentrações. Como resultado obtém-se uma estrutura muito resistente, eficiente e
versátil. Quando conjugados tornam a estrutura única. Por sua vez o osso também é um material compósito. Este contém uma matriz mineral que liga as fibras de colagénio entre si (Currey, 1983) (Hull & Clyne, 1996).
A ideia de combinar vários componentes para se produzir um material com propriedades que não são obtidas com os componentes individuais tem sido utilizada pelo homem há milhares de anos (Vasiliev & Morozov, 2007).
Este tipo de materiais poderá ser classificado em 2 grupos. No primeiro grupo são englobados os materiais compósitos conhecidos como materiais preenchidos (“filled materials”), e num segundo grupo, que serão os materiais abordados nesta dissertação, são os materiais compósitos reforçados, ou também designados por alguns autores, compósitos avançados (“advanced composites”) ou compósitos estruturais modernos (“modern structural composites”) sendo estes constituídos por fibras longas e finas que possuem alta resistência e rigidez, enquanto a matriz mantém as fibras no lugar. Estas fibras estão ligadas por um material de matriz cuja fração volúmica que ocupa no compósito é normalmente menor que 50 % do volume total do compósito.
As características dos materiais compósitos avançados, permitem que estes tenham uma grande aplicação na indústria da engenharia, cuja sua aplicação, em cada área, é regida pelo tipo de fibra utilizada (Vasiliev & Morozov, 2007).
Este tipo de material é relativamente atual sendo a sua origem proveniente do esforço desenvolvido durante 1940 pela indústria dos transportes, marítima, elétrica/eletrónica, onde se combinou a fibra de vidro com uma resina termoendurecivel obtendo um material que poderia competir com os metais devido ao seu preço de produção assim como as características deste novo material, sendo a principal a não corrosão deste material (Pilato & Michno, 1994).
2.1.2. Caracterização geral
Um material compósito pode então ser definido como um conjunto de dois ou mais materiais constituintes com distintas composições, estruturas e propriedades e que estão separados por uma interface (Sousa, 2004).
Uma classificação é referente à morfologia de seus agentes de reforço como se poderá verificar na Figura 2. 1. Os materiais compósitos particulados podem ser formados por grandes partículas, como metal-cerâmicas (cerâmicas / metais), borrachas (polímeros / metais) e cimentos (cerâmicos / metais), ou reforçados por dispersão.
Figura 2. 1 Classificação dos Materiais Compósitos (adaptado de (Sousa, 2004)) Os materiais compósitos reforçados por fibras ou usualmente designados como (FRP “Polymer reinforced fibers”), têm uma grande aplicação nos dias de hoje. Os FRP são compostos geralmente por fibras de alta resistência embebidos em matrizes poliméricas. As fibras, que geralmente têm diâmetros muito reduzidos, proporcionam ao compósito a resistência e a rigidez, enquanto a matriz que comparativamente as fibras tem fracas propriedades mecânicas, mantem junto as fibras conferindo-lhe a sua disposição. A escolha do tipo de fibras usadas poderá depender do fim a que se destina o material compósito, do custo e do seu desempenho.
Por outro lado, os compósitos estruturais, são formados por materiais homogéneos e compósitos com propriedades dependentes da orientação relativa dos componentes. Podem apresentar-se no mercado como laminados (como, por exemplo, o caso dos contraplacados de madeiras), paneis sandwich (como, por exemplo, divisórias e coberturas), e reforçados com materiais têxteis (como por exemplo tubagens ou geotêxtis) (Marques, 2009) (Sousa, 2004).
Materiais compósitos Particulados Partículas grandes Reforçados por dispersão Reforçados por Fibras Contínuas Descontínuas Alinhadas Orientação aleatória Estruturais Laminados Paineis sandwich Têxteis
Materiais compósitos reforçados com materiais têxteis TRCM (“Textile-Reinforced Composite Materials”) são uma parte do universo de classes de materiais compósitos existentes (Horrocks & Anand, 2000).
Estes são constituídos por um conjunto de fibras, contínuas ou não, feitas de um material resistente (o reforço), que confere à matriz as propriedades mecânicas, eletromagnéticas e químicas.
Na Figura 2. 2 pode-se verificar um diagrama de extensão – tensão, de um ensaio de tração isolada de um FRP, em que se pode constatar que as fibras apresentam uma resistência elevada à tração quando comparadas com a matriz. Contudo a matriz apresenta uma extensão mais elevada comparativamente às fibras. A conjugação das fibras com a matriz cria então um novo material, FRP, que apresenta diferentes propriedades (Bisby, Ranger, & Williams, 2006).
Figura 2. 2 - Diagrama Extensão (%)/Tensão (MPa) das fibras, matriz e polímero reforçado por fibras (Bisby, Ranger, & Williams, 2006)
Nos materiais compósitos reforçados por fibras, a fibra poderá variar de comprimento, orientação e volume. O tipo de fibra mais utilizada varia, dependendo da utilização deste material, sendo as mais usuais as fibras de vidro, carbono/grafite, aramida assim como as fibras metálicas e cerâmicas.
Relativamente à matriz, esta também poderá ser diferente, sendo as mais usuais as matrizes orgânicas (termoplásticas ou termoendurecíveis), minerais, metálicas, cerâmicas e cimentícias, sendo esta última largamente utilizada na construção civil. A matriz possibilita não só a obtenção da forma permanente da estrutura ou do objeto, como também permite uma transferência de carga para as fibras, onde a sua disposição permite a distribuição de cargas. A disposição das mesmas pode adotar diferentes configurações, podendo ser classificadas da seguinte forma:
Unidirecional: constituído por fibras orientadas segundo uma direção no espaço como se pode verificar na Figura 2. 3;
Figura 2. 3 - Orientação unidirecional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996)
Bidimensionais: constituído por fibras em superfícies planas de tecidos, não tecidos, malhas ou entrançadas orientadas em duas direções, como está retratado na Figura 2. 4;
Figura 2. 4 - Orientação bidimensional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996)
Tridimensional: constituído por estruturas pré-formadas ou não, com fibras orientadas segundo varias direções (podendo também se chamar-se estruturas multiaxiais) Figura 2. 5.
Figura 2. 5 - Orientação tridimensional das fibras num material compósito (Hull & Clyne, 1996)
2.1.3. Matrizes dos materiais compósitos
Como já foi visto anteriormente uma parte importante de um material compósito é a sua matriz. Se as fibras forem combinadas com a matriz através de um processo de cura apropriado, as propriedades que a matriz confere ao material compósito passam por:
Manter as fibras no lugar na estrutura;
Ajudar na distribuição e na transferência de cargas;
Proteger os filamentos das estruturas, quer na sua fabricação que ao longo da vida útil do material;
Controlar as propriedades elétricas e químicas do compósito; Dar a forma ao material compósito.
Existem várias matrizes que poderão ser escolhidas, sendo que cada tipo tem impacto no processo de produção do material, nas propriedades físicas e mecânicas do produto final.
Usualmente os compósitos poderão ser divididos em 3 grupos principais relativamente a sua matriz, sendo que aqui apenas é apresentado um deles.
1. Materiais compósitos com matriz polimérica (PMC´s – “Polymer matrix composites”)
São os materiais compósitos mais comuns e com maior interesse comercial, um exemplo são polímeros reforçados com fibras (FRP – “Fibre reinforced polymers”). Este tipo de material contém uma matriz polimérica que poderá ser dividida e 2 grupos:
Nos polímeros as macromoléculas podem-se interligar por forças de diversa intensidade. Quando a força de ligação entre estas é baixa, estas ligações podem-se separar por simples aquecimento dando lugar a um plástico fundido. Aqui reside a principal diferença entre estes dois polímeros. Esta característica torna os materiais termoplásticos recicláveis e amigos do ambiente ao contrário dos termoendurecívies (Buchan & Chen, 2010).
Relativamente às resinas termoendurecíveis estas, dentro das matrizes utilizadas em compósitos, são as mais usadas atualmente podendo apresentar-se como resinas epóxidas, poliéster saturado, viniléster, resinas fenólicas, etc. Estas abrangem uma classe muito basta de produtos químicos com uma ampla gama de propriedades físicas e mecânicas. O Quadro 2. 1 apresenta algumas das características deste tipo de resinas. Nos polímeros termoendurecíveis a resina líquida é convertida num solido rígido por reticulação química, o que leva a formação de uma rede tridimensional fortemente ligada. Nestes polímeros as forças de união das várias cadeias macromoleculares entre si são extremamente intensas chegando a igualar as que as unem internamente. Antes das cadeias se separarem, estas rompem, o que significa que se romperão antes de se fundir se a temperatura for aumentada dai podemos afirmar que é um processo irreversível.
A resina epóxida é a mais utilizada das resinas termoendurecíveis que são elaboradas a partir da polimerização de compostos que contêm uma média de um ou mais grupos de moléculas epoxida. Este tipo de resinas necessita de agentes de cura reativos que são adicionados à resina liquida para iniciar a polimerização. As ligações entre as moléculas são formadas quando a resina liquida muda para o estado sólido. A densidade das ligações depende da estrutura química da resina, condições de cura e agentes de reação. O módulo de elasticidade, resistência à tração, estabilidade térmica e resistência química são propriedades que podem ser melhoradas com um aumento da densidade de ligações atómicas. Por outro lado a energia necessária para levar o material a rotura e a sua extensão ate à rotura serão reduzidas (Task Group 9.3, 2007).
Quadro 2. 1 - Propriedades das resinas termoendurecíveis (adaptado de (Task Group 9.3, 2007))
As resinas termoplásticas são polímeros obtidos normalmente por poliadição e como o próprio nome indica, amolecem sob a ação do calor. As principais resinas termoplásticas são à base de: policloreto de vinilo, poliacetato de vinilo, poliéster aclrilicos, etc.
Nas resinas termoplásticas o PEEK (poli-éter-éter-cetona) é o caso de uma resina mais comum para aplicações de elevado desempenho, uma vez que apresenta elevada dureza. A PPS (Polyphenylene Sulphyde) é uma resina com elevada resistência química enquanto a PSUL (Polysulfone) é uma resina com elevada extensão na rotura. Através do Quadro 2. 2 pode verificar-se alguns valores típicos das propriedades das resinas acima descritas.
Propriedades Resinas termoendurecíveis
Poliéster Epóxida Viniléster Fenólica Massa volúmica (kg/m3) 1200-1400 1200-1400 1150-1350 1000-1250 Resistência à tração (MPa) 34,5-104 55-130 73-81 30-50 Módulo de Elasticidade (GPa) 2,1-3,45 2,75-4,10 3,0-3,5 3,6 Coeficiente de Poisson 0,35-0,39 0,38-0,40 0,36-0,39 - Coeficiente de dilatação térmica 55-100 45-65 50-75 260
Quadro 2. 2 - Propriedades das resinas termoplásticas (adaptado de (Task Group 9.3, 2007))
Propriedades Resina termoplástica
PEEK PPS PSUL Massa volúmica (kg/m3) 1320 1360 1240 Resistência à tração (MPa) 100 82,70 70,30 Módulo de Elasticidade (GPa) 3,24 3,30 2,48 Extensão (%) 50 5 75 Coeficiente de Poisson 0,40 0,37 0,37
2.1.4. Reforço dos materiais compósitos
Como já foi visto anteriormente num material compósito o reforço será fornecido pelas fibras que estão incorporadas nas mais variadas formas. Os materiais fibrosos usados nos compósitos poderão ser aplicados de diferentes formas.
A classificação das fibras pode ser feita em duas grandes classes, fibras naturais (quando aparecem na natureza na sua forma) ou não naturais (quando é necessária a intervenção do ser humano para produzir uma fibra que não encontramos na natureza) (Fangueiro, 2011). A Figura 2. 6 mostra as classes de divisão das fibras (Oliveira, 2013).
Figura 2. 6 - Classificação quanto à origem das fibras (adaptado de (Latzke, et al., 2006) (Oliveira, 2013) (Fangueiro, 2011))
As fibras são usadas nos materiais compósitos nas mais variadas formas incluindo: Fibras moídas;
Fios (de filamento contínuo) cortadas; Fios texturizados;
Mecha (ou “roving” de filamento contínuo); “Matt” (ou tela não-tecida);
Tecido;
Estes reforços têxteis podem ainda encontrar-se sob outras formas que cada vez mais se utilizam, tais como:
Malhas de trama e teia; Entrançados (“braids”);
Híbridos (combinação de vários tipos, ex. não tecidos com tecidos);
Relativamente a estes materiais existem 4 níveis de importância a ter em conta no estudo da mecânica dos materiais compósitos de reforço têxtil.
Fibra → Fio → Tecido → Compósito
Fibras Naturais Algodão Lã Seda Linho Cânhamo Não-naturais Orgânicas Artificiais Acetato (CA) Alginato (ALG) Cupro (CUP) Sintéticas Acrílico (PAN) Aramida (AR) Poliéster (PES) Inôrganicas Carbono (CF) Cerâmica (CEF) Vidro (GF)
2.1.4.1. Fibras de Basalto
A fibra de basalto é uma fibra inorgânica, que oferece um conjunto de vantagens comparativamente a outras fibras (Fiore, Scalici, Di Bella, & Valenza, 2014).
O basalto é um nome genérico para a lava solidificada derramada dos vulcões. Este tipo de material é derretido aproximadamente entre 1500-1700ºC. Na sua constituição, 80 % do basalto é constituído por dois materiais: plagioclásio e piroxénio, sendo que algumas vezes aparece olivina.
Analisando este tipo de material em termos de composição química é possível observar o dióxido de silício (SiO2) que é o principal constituinte, e o óxido de alumínio (Al2O3),
segundo principal como pode ser verificado através da análise elaborada por (Militky, Kovacic, & Rubnerová, 2002) e (Deák & Czigány, 2009) retratada no Quadro 2. 3.
Quadro 2. 3 - Composição química da fibra de basalto (adaptado de (Militky, Kovacic, & Rubnerová, 2002) (Deák & Czigány, 2009))
Elemento Referência 1 (wt%) Referência 2 (wt%)
SiO2 43,3 - 47 42,43 – 55,69 Al2O3 11 - 13 14,21 – 17,97 Fe2O3 <5 10,80 – 11,68 CaO 10 - 12 7,43 – 8,88 MgO 8 - 11 4,06 – 9,45 Na2O <5 2,38 – 3,79 TiO2 <5 1,10 – 2,55 K2O <5 1,06 – 2,33
A fibra de Basalto foi desenvolvida pelo Moscow Research Institute of Glass and Plastic no ano de 1953-1954.
Este tipo de material é fabricado utilizando uma rocha vulcânica (basalto) como matéria-prima, sendo esta colocada num forno onde é fundida a 1400 – 1500 ºC. Em seguida, o material fundido, é forçado a passar através de uma superfície de platina/ródio do modo a criar filamentos. Esta técnica, denominada de fiação contínua,
permite obtenção de fibras contínuas ou descontínuas, que poderão ser utilizadas na indústria têxtil ou como material para aplicação em material compósito (Fiore, Scalici, Di Bella, & Valenza, 2014).
Na Figura 2. 7 pode verificar-se um esquema de fabricação das estruturas fibrosas contínuas das fibras de basalto: 1) representação de um silo de rocha partida; 2) estação de carregamento; 3) sistema de transporte; 4) estação de carregamento; 5) zona de fusão inicial; 6) zona de calor secundária com temperatura controlada; 7) formação de filamentos; 8) controlador da dimensão do filamento; 9) estação de formação da cadeia; 10) estação de estiragem da fibra; 11) enrolamento (Deák & Czigány, 2009).
Figura 2. 7 - Esquema simplificado da linha de produção das Fibras de Basalto (Deák & Czigány, 2009)
Este tipo de fibras tem uma grande estabilidade química, não são toxicas, não combustíveis e resistem a altas temperaturas. No Quadro 2. 4 pode verificar-se as propriedades mecânicas deste tipo de material. (Fiore, Di Bella, & Valenza, Glass-Basal/epoxy hybrid composites for marine application, 2011)
Quadro 2. 4 – Características mecânicas da fibra de basalto (adaptado de (Fiore, Di Bella, & Valenza, Glass-Basal/epoxy hybrid composites for marine application, 2011))
Fibra Módulo de elasticidade (GPa) Resistência à tração (GPa) Massa volúmica (kg/m3) Diâmetro da fibra (µm) Extensão ate rotura (%) Basalto 89 2,80 2733 8,63 3,15 2.1.4.2. Fibras de Carbono
As fibras de carbono/grafite é um material muito atrativo devido ao facto de apresentar características que permitem competir com os materiais metálicos.
Este tipo de fibras poderá ser produzida a partir de três materiais: raion (Rayon), poliacrilonitrilo (PAN) e petróleo (Pitch) (Buckley & Edie, 1993).
A fibra de carbono é o produto final de uma série de processos de produção. Ele começa por uma oxidação do material a 200-300 ºC, por diferentes etapas de carbonização 1000-1500ºC e 1500-200ºC e, por final, através de aquecimento a 2500 – 3000 ºC (carbonização total) de fibras de origem celulósica ou química o que permite que a percentagem de carbono nas fibras seja mais de 95 % na composição total. Este processo designa-se com a pirólise, ou seja a decomposição pelo calor de algum material rico em carbono, que resultam em carbonização de um material com alto resíduo carbonáceo.
Este tipo de fibra começou a ser produzidas a partir de fibras celulósicas naturais como o algodão, linho, fibras de bambu. De um ponto de vista comercial e viável, as fibras de carbono com alta performance começaram a ser produzidas nos finais de 1960, depois de se ter introduzido o processo de PAN, que comparado com o Rayon, oferecia uma percentagem superior de carbono (20%). Fibras de carbono a partir do processo PAN também oferecem melhores propriedades físicas comparadas com os outros processos como se pode verificar no Quadro 2. 5.
Mais tarde as fibras de carbono foram também preparadas a partir de Pitch, sendo este precursor mais barato.
As mais importantes propriedades físicas e mecânicas presentes nas fibras de carbono passam por módulo de elasticidade elevado, baixa massa volúmica, tensão de rotura
elevado, baixo coeficiente de expansão térmica e elétrica, inerte e não inflamáveis. A resistência à fadiga e vibração são também 2 grandes vantagens. Este comportamento obtém-se devido ao facto de este tipo de fibra ser quebradiça e permitir uma grande resistência com pouco alongamento.
Estas fibras também tem o inconveniente de terem uma baixa resistência ao impacto, serem frágeis, baixas deformações na rutura, resistência à compressão inferior à resistência à tração e o custo moderado a alto.
O Quadro 2. 5 apresenta as principais propriedades das fibras de carbono em função do percursos utilizado.
Quadro 2. 5 - Propriedades das fibras de carbono (adaptado de (Chand, 2000) (Pereira))
Fibra Módulo de elasticidade (GPa) Resistência à tração (GPa) Massa volúmica (kg/m3) Diâmetro da fibra (µm) Extensão ate rotura (%) Custo. Euros/unidade Carbono (PAN) 200-350 2,40-6,90 1750-1900 4-8 0,6-2,5 15-80 Carbono (Pitch) 170-800 1,35-3,20 1900-2150 8-11 0,3-0,9 30-155 Carbono (Rayon) 40 1,00 1600 8-9 2,5 4-20
As fibras de carbono do tipo PAN encontram-se divididas em 4 grupos, dependendo das suas características:
HS (“Hight Strenght”);
IM (“Intermediate Modulus”); HM (“High Modulus”); UHM (“Ultra High Modulus”);
Quadro 2. 6 - Propriedades das fibras de carbono PAN (adaptado de (Fangueiro, 2011)) Fibra de Carbono Massa volúmica (Kg/m3) Módulo de Elasticidade (MPa) Resistência à tração (MPa) Extensão até a rotura (%) Coeficiente de dilatação térmica (10 -6/ºC) HS 1800 230 4500 2,0 -0,1 IM 1760 290 3100 1,1 -0,5 HM 1860 380 2700 0,7 -1,2 UHM 1940 588 2410 0,7 -0,9 2.1.4.3. Fibras de Vidro
Atualmente, a fibra de vidro é a fibra mais utilizada e mais bem aceite para a produção de materiais compósitos como reforço de matriz polimérica. O vidro fundido pode ser produzido em filamentos contínuos integrados em mechas (“rovings”). No processo de fabrico a superfície de fibra é revestida quimicamente para melhorar a impregnação da matriz e proporcionar uma melhor adesão entre os constituintes do compósito.
A resistência à tração das fibras de vidro reduz a temperaturas elevadas, mas poderá ser considerada constante para a gama de temperaturas em que a matriz polimérica poderá ser exposta. A resistência a tração também diminui com a corrosão química e sobre uma carga constante ao longo do tempo (Task Group 9.3, 2007).
Este material poderá agrupar-se em diferentes grupos: (Marques, 2009)
“A-Glass fiber” – este tipo de material é utilizado como isolante acústico e térmico.
“E-Glass fiber” - contém baixa alcalinidade e é muito resistente; boa resistência à tração e compressão; boas propriedades elétricas, e relativo baixo custo; baixa resistência ao impacto, é o tipo de fibra mais utilizada como reforço quando aplicada uma resina polimérica como matriz; a principal aplicação é na indústria automóvel devido ao seu baixo peso; usado na indústria têxtil e produção de compósitos como reforço em 90% dos casos; este tipo de fibra é apresentada em diferentes formas como filamentos, fios e mechas;
“C-Glass” – contém um bom comportamento ao ataque químico; usado principalmente como superfície de um tecido ou como camada exterior em laminados;
“R-Glass” – alta resistência à tração e um módulo de elasticidade superior comparativamente com “E-Glass” assim como uma melhor absorção de energia; este tipo de material é usado em aplicações especiais, nomeadamente em programas espaciais e de defesa devido ao seu bom comportamento relativamente à fadiga, humidade e temperatura;
“S-Glass” – caracterizado por uma alta rigidez sendo usado em aplicações que requerem boas propriedades mecânicas;
“AR-Glass” – usado como reforço em cimentos uma vez que contém mais de 15% (massa) de zircão o que confere às fibras excelente resistência alcalina aumentando a durabilidade do betão; alta resistência à tração, sendo então utilizado como reforço no betão para melhorar as propriedades mecânicas. As fibras de vidro são maioritariamente constituídas por sílica (SiO2), com adições de
óxidos de cálcio, boro, sódio, ferro e alumínio sendo que a composição está detalhada no Quadro 2. 7.
Quadro 2. 7 - Comparação das fibras de vidro (adaptado de (Hull & Clyne, 1996))
Composição (%) Vidro E Vidro C Vidro S
SiO2 52,4 64,4 64,4 Al2O3+Fe2O3 14,4 4,1 25,0 CaO 17,2 13,4 - MgO 4,6 3,3 10,3 Na2O+K2O 0,8 9,6 0,3 B2O3 10,6 4,7 - BaO - 0,9 -
Quadro 2. 8 - Propriedades mecânicas das fibras de vidro (adaptado de (Fangueiro, 2011) (Hull & Clyne, 1996))
Fibra Módulo de elasticidade (GPa) Resistência à tração (GPa) Massa volúmica (kg/m3) Extensão ate rotura (%) E-Glass 72,4 3,45 2600 2,4 S-Glass 85,5 4,58 2480 3,3 C-Glass 69 3,30 2,49 -
2.1.5. Comparação das propriedades das fibras e das matrizes
Com a análise realizada anteriormente podemos retirar algumas conclusões que terão grande importância para o desenvolvimento do trabalho experimental.
Podemos verificar que existem inúmeros tipos de materiais compósitos, sendo estes constituídos por diferentes matrizes assim como diferentes tipo de fibras.
Relativamente ao tipo de matriz, tendo em vista a criação de um material com uma elevada resistência à tração, boa resistência ao fogo, boa durabilidade considera-se que a resina termoendurecivel epóxida contém as características desejadas para o material compósito a ser produzido. Foi também constatado que este material estaria disponível para utilização nos laboratórios de Engenharia Têxtil da Universidade do Minho pelo que se escolheu esta resina como matriz para o desenvolvimento do material compósito. No que diz respeito ao tipo de reforço a introduzir nos materiais compósitos que se realizarão, foi uma escolha mais difícil.
Relativamente a este assunto, não pode prever o comportamento de reforço visto que as características destes materiais são fortemente influenciadas pela densidade de material que se usa no material compósito. Teve então de se definir objetivos para a escolha do material. Optou-se por escolher 3 tipos de fibras diferentes.
Um tipo de fibra com uma grande produção industrial, fibra de vidro, devido ao facto de dentro do mundo das fibras ser aquela com um maior interesse comercial devido ás suas características assim como ao seu custo.
Por outro lado, irá se utilizar a fibra de carbono, devido às suas excelentes características mecânicas.
E uma terceira, a fibra de basalto, uma vez que é uma fibra natural, sustentável, que apresenta melhores características mecânicas que a fibra de vidro e a um custo menor das fibras de carbono.
Na Figura 2. 8 pode verificar-se o comportamento, do tipo de fibras enunciado anteriormente assim como alguns materiais que são utilizados hoje em dia na construção civil, quando sujeitos a um ensaio de tração. Através da análise da mesma podemos verificar que as fibras contem uma elevada resistência mecânica sendo um problema o seu comportamento frágil, o que não acontece no caso do Aço pré-esforçado ou aço em betão armado que apresenta um comportamento dúctil.
2.1.6. Interface dos materiais compósitos
Sendo o material compósito um material constituído por dois ou mais materiais diferentes, com propriedades diferentes, a sua interface tem um papel decisivo na determinação das propriedades e desempenho do material compósito. A interface do compósito é responsável pela transmissão de tensões à matriz para os agentes de reforço (Sousa, 2004).
Esta interface pode ser entre dois sólidos ou um solido/liquido como se pode ver através Figura 2. 9. Este é um problema que envolve uma grande variedade de incógnitas sendo então necessário recorrer a várias formulações assim como as referências.
Figura 2. 9 - a) Pontos de contacto entre duas superfícies sólidas; b) Zona de contacto entre uma superfície liquida e sólida com angulo de contacto Ɵ (Hull & Clyne, 1996) É também importante referir que se deve analisar a interface entre o material compósito a ser produzido e o elemento em que este será colocado como reforço.
Tendo em vista a diminuição do problema da aderência, podem ser utilizadas varias abordagens, incluindo o aumento da área superficial das fibras alterando a área superficial de circular para irregular, podemos também revestir a fibra com um material que promove a adesão, tendo como finalidade criar uma rugosidade, ou por meio de agentes químicos para melhorar adesão.
Com análise de trabalhos realizados anteriormente, na Universidade do Minho, por outros autores, este problema já foi estudado tendo em vista a sua minimização. Este
aspeto é muito importante sendo analisado a rugosidade do material, visto que beneficiará a aderência entre o material de reforço (material compósito) e a argamassa. Ao se criar uma rugosidade no material compósito este obterá uma melhor adesão à argamassa visto que as fibras e a argamassa são diferentes materiais com uma pobre adesão na interface entre eles.
No trabalho desenvolvido por Cunha (Cunha, 2012) e Martins (Martins, 2013), foram realizados ensaios de aderência em BCR – “Braided Composite Rods” com diferentes tipos de rugosidade, em diferentes tipos de argamassas de reboco de onde se pode retirar algumas conclusões. Aqui foi usada uma estrutura têxtil em forma de entrançado, permitindo a criação de uma rugosidade. Este entrançado quando submetido a ensaios de aderência mostrou-se muito eficiente visto que o varão acabou por romper primeiro, não ocorrendo o deslizamento do mesmo da argamassa.
O trabalho de investigação desenvolvido por Martins (Martins, 2013) concluiu que este fator (aderência) entre o material de reforço e a argamassa merece a devida atenção visto que melhora o desempenho do conjunto do reforço na parede de alvenaria.
2.1.7. Estruturas têxteis
A indústria dos materiais têxteis tem a grande vantagem de ser polivalente e ser enquadrada em outros setores industriais. Atualmente este tipo de estruturas podem ser encontradas conjugadas com os materiais compósitos.
Atualmente o uso de fibras, fios, tecidos não se restringe apenas ao vestuário ou artigos de decoração mas sim a outras áreas como a indústria automóvel, aerospacial e ainda na construção civil onde aparecem como elementos para reforçar o betão. Este facto deve-se principalmente ao papel dedeve-sempenhado pelas estruturas têxteis. Estas estruturas têxteis podem-se encontrar em diferentes configurações: estruturas convencionais ou planas (2D), estruturas tridimensionais (3D), estruturas orientadas direccionalmente (DOS) ou estruturas hibridas.
1. Estruturas planas (2D)
Podemos ver na Figura 2. 10 as diferentes estruturas planas (2D) que poderão ser produzidas. Neste tipo de estruturas as fibras são orientadas num plano sendo que não se
Figura 2. 10 - Estruturas têxteis planares (2D); a) Não tecida; b) Tecida; c) Entrançada; d) Malha-trama; e) Malha (adaptado de (Fangueiro, 2011))
2. Estruturas tridimensionais (3D).
Estruturas têxteis 3D consistem em estruturas obtidas através de fibras integradas com orientação multiaxial. Este tipo de estruturas têxteis apareceram no século XIX, mas só no final dos anos 60 é que se verificou a sua aplicação em grande escala devido a aplicação na indústria aeroespacial, industria automóvel, industria da construção, sendo utilizada para fabricar materiais capazes de suportar desgastes mecânicos multidirecionais assim como condições térmicas extremas.
Nestas estruturas incluem-se tecidos, malhas, não tecidos e entrançados com características diferentes das estruturas apresentadas anteriormente (Fangueiro, 2011). A técnica de entrançamento poderá ser a mais bem-sucedida para se produzirem estruturas fibrosas 3D. Geralmente as estruturas têxteis entrançadas são produzidas entrelaçando diferentes fios num sistema com forma tubular. Neste tipo de estruturas existem três tipos de entrançamento: diamante, regular e de hércules como se podem verificar através da Figura 2. 11. (Ayranci & Carey, 2007).
Figura 2. 11 - Estruturas convencionais entrançadas; a) Diamante; b) Regular; c) Hercules (adaptado de (Fangueiro, 2011))
No centro do entrançado, podemos adicionar outro tipo de fibras, denominadas, fibras axiais, reforçando este material longitudinalmente produzindo uma estrutura triaxiais (3D) com orientação dos fios a zero graus. Aqui reside a principal diferença entre as estruturas entrançadas 2D e 3D.
As principais vantagens dos entrançados 3D em relação ao 2D passam por:
O processo de produção de entrançados 3D pode ser controlado automaticamente o que aumenta a produção e melhora a sua performance; Compósitos entrançados 3D com uma forma complexa poderão se tornar de fácil
produção e economicamente mais viáveis;
Compósitos entrançados 3D contem uma maior resistência à de laminação e ao impacto;
Relativamente a deformação do material entrançados podemos afirmar que a deformação radial é a chave para a sua habilidade de obter diferentes formas, sendo esta capacidade fundamental para muitas aplicações, inclusive em materiais compósitos. A eficiente distribuição das cargas permite ao entrançado absorver uma grande quantidade de energia enquanto se desagrada, tornando este muito resistente ao impacto.
O diâmetro da estrutura entrançada é controlado por alguns parâmetros que influencia diretamente esta característica física sendo estes: o número de fibras, o angulo dos fios entrançados (sendo que este pode variar entre 10 a 80º), a densidade linear de fibras (tex) e o número de fios que serão entrançados. A dimensão do diâmetro pode ser considerado o maior impedimento para a utilização deste tipo de materiais.
É com estas estruturas que podemos obter materiais vulgarmente denominados como (BCR – “Braided Composit Rods”), sendo este um tipo de material com algum desenvolvimentos no Departamento de Engenharia Textil da Universidade do Minho. Esta técnica permite criar um varão constituído por uma parte exterior obtida ao se orientar multifilamento num plano multiaxial, por exemplo usando fibras de poliéster, e num núcleo de reforço que poderá ser constituído por fibras de carbono, vidro, basalto, etc.
2.2. Comportamento Auxético
2.2.1. Introdução
A palavra “auxetics” provém da palavra Grega “auxetos” que tem como significado “que pode ser aumentada” (Evans & Alderson, 1992). Este tipo de material de nome “auxetics”, denominado por Evans (Evans, et al, 1991), “anti-rubber” (Gleick, 1987) ou “dilatational materials” (Milton, 1991) exibem características diferentes dos materiais ditos convencionais, não sendo um material recente, pois apareceu há cerca de 100 anos (Love, 1994). No entanto, só passadas 3 décadas de pesquisas é que foi demonstrada a viabilidade da aplicação deste tipo de material.
Os materiais com comportamento auxético quando alongados longitudinalmente expandem igualmente na sua direção transversal, ao contrário do que acontece com os materiais ditos convencionais com comportamento não auxéticos. Com esta característica única, os materiais auxéticos podem melhorar as suas propriedades físicas e mecânicas, pelo que se pode afirmar que estes materiais podem ser classificados não só como estruturais mas também como materiais funcionais (Alderson A. , 1999). Ate à data, têm sido produzidos uma grande variedade de materiais auxéticos, incluindo espumas metálicas e poliméricas, polímeros microporosos, laminados de fibras de carbono, e estruturas em forma de favo de mel.
O efeito auxético confere aos materiais muitas vantagens como, por exemplo, aumento de rigidez, melhor tenacidade à fratura e aumento do módulo de torsão (Liu Q. , 2006) (Alderson A. , 2011).
Este tipo de comportamento pode ser alcançado quer a um nível macroscópico ou microscópico, ou até a nível molecular. Atualmente, inúmeras estruturas e materiais auxéticos têm sido produzidas e descobertos, em diferentes níveis moleculares com maior incidência nos materiais poliméricos auxéticos (Liu & Hu, 2010).
